Definition of reference buildings to determine the effect of energy renovation measures at a neighbourhood scale: application to a study case in Braga

Abstract

The building sector is one of the major contributors to energy demand and greenhouse gases emissions within cities and, at the same time, it has one of the largest cost-effective energy saving and emissions reduction potential. In this regard, renovation projects at a neighbourhood scale instead of building level are believed to present several benefits that allow getting more profitable and efficient solutions. In this context, the dissertation work sought to develop a methodology to define reference buildings that allows evaluating energy saving measures at a neighbourhood scale for a social housing context in Portugal. The accuracy of the method was assessed by comparing the energy performance of the neighbourhood, using in one case just the reference buildings while in the other the existing buildings. For the definition of the reference buildings, a cluster analysis - which is a multivariate statistical analysis technique that groups cases with very similar characteristics into a cluster – was used. For the energy performance analysis, numerical energy simulations were used. A parametric analysis considering thirteen different energy renovation measures on the building envelope was carried out. The methodology was applied to a case study on a neighbourhood located in Braga, generally designated as “Bairro das Andorinhas”. The results showed small variation differences in the comparison analysis at a neighbourhood level for both heating and cooling energy demand, reaching maximum variations of 4.9% and 3.4% respectively. The examination of each cluster demonstrated that the heating demand had, in general, a much larger gap than the cooling demand in terms of variation between detailed calculations of the existing buildings and the reference buildings. In addition, the maximum variation for the cluster oriented East- West was found on the wall intervention measures while in the clusters oriented North- South was on the roof and windows. Finally, the use of reference buildings seems to be a viable approach to evaluate energy saving measures at a neighbourhood scale due to the level of accuracy level of the method. Moreover, the application of cluster analysis on getting reference buildings appears to be a suitable technique to define these types of buildings.

O setor dos edifícios é um dos principais responsáveis pelo consumo de energia e emissão de gases com efeito estufa nas cidades e, ao mesmo tempo, possui uma das maiores poupanças rentáveis de energia e maior potencial na redução das emissões. Nesse sentido, os projetos de renovação à escala do bairro, em vez de à escala do edifício, apresentam vários benefícios que permitem obter soluções mais rentáveis e eficientes. Neste contexto, o trabalho de dissertação procurou desenvolver uma metodologia para definir edifícios de referência que permitam avaliar soluções de reabilitação energética à escala do grupo de edifícios para um bairro de habitação social em Portugal. A precisão do método foi avaliada comparando o desempenho energético do bairro, usando em um caso apenas os edifícios de referência, enquanto no outro os edifícios existentes. Para a definição dos edifícios de referência, foi utilizada uma análise de cluster - que é uma técnica de análise estatística multivariada que agrupa casos com características muito semelhantes num cluster. Para a análise do desempenho energético, foram utilizadas simulações numéricas de energia. Foi realizada uma análise paramétrica considerando treze medidas de reabilitação energética na envolvente do edifício. A metodologia foi aplicada a um caso de estudo num bairro localizado em Braga, designado como "Bairro das Andorinhas". Os resultados mostram pequenas diferenças de variação na análise comparativa à escala do bairro para as necessidades de aquecimento e arrefecimento, atingindo variações máximas de 4,9% e 3,4%, respetivamente. A análise de cada cluster demonstrou que as necessidades de aquecimento apresentaram, em geral, diferenças maiores que as necessidades de arrefecimento, em termos de variação entre os cálculos com os edifícios existentes e os edifícios de referência. Além disso, a variação máxima para o cluster orientado em direção este-oeste foi encontrada nas medidas de reabilitação da parede, enquanto nos clusters orientados em direção Norte-Sul foram encontradas no telhado e nas janelas. Finalmente, o uso de edifícios de referência parece ser uma abordagem viável para avaliar medidas de reabilitação energética à escala do bairro, devido ao nível de precisão da metodologia. Além disso, a aplicação da análise de cluster na obtenção de edifícios de referência parece ser uma técnica adequada para definir esses tipos de edifícios.